在分析傳統(tǒng)的橢圓齒輪流量計(jì)的性能和工作原理基礎(chǔ)上, 提出了新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu). 采用磁敏傳感器非接觸式檢測(cè)流量信號(hào), 通過(guò)有限元磁場(chǎng)分析和實(shí)驗(yàn)表明該流量計(jì)工作壓力可達(dá)31. 5 MPa, 可實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量, 測(cè)量精度高, 最大壓力損失為0. 15 M Pa, 可應(yīng)用于高壓場(chǎng)合的流量檢測(cè).
在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、能源計(jì)量及社會(huì)生活等領(lǐng)域中, 流量是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一, 橢圓齒輪流量計(jì)采用容積式計(jì)量, 具有計(jì)量精度高、油溫影響和壓力損失小、安裝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、量程范圍大等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用[ 1] . 但傳統(tǒng)的橢圓流量計(jì)僅能應(yīng)用在低壓環(huán)境, 高壓環(huán)境下的齒輪容積式流量計(jì)大多從國(guó)外進(jìn)口[ 2] . 本文提出了一種新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu), 并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.
1 耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)的原理與結(jié)構(gòu)
1. 1 工作原理
耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)是基于齒輪馬達(dá)的工作原理, 由流體驅(qū)動(dòng)兩個(gè)嚙合的橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng), 再根據(jù)橢圓齒輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量計(jì)量( 圖1) [ 1] .
1. 2 橢圓齒輪的脈動(dòng)嚙合特性分析
由于橢圓齒輪嚙合點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)橢圓齒輪軸心的連線上來(lái)回移動(dòng), 所以其傳動(dòng)比不是一個(gè)恒定值, 在恒定流量下其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度不恒定[ 3] . 根據(jù)橢圓齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性, 得到恒定流量下的角速度方程( 式1)
1. 3 結(jié) 構(gòu)
新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)( 圖3) 主要由下端蓋、殼體、上端蓋、橢圓齒輪副、齒輪軸、磁鋼、磁敏傳感器等組成. 油液從下端蓋的油口( A 或B) 流入由下端蓋、殼體、上端蓋三部分密封形成的耐高壓計(jì)量室, 推動(dòng)以各自的齒輪軸為中心的橢圓齒輪副嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)后從另外一個(gè)油口流出. 利用磁敏檢測(cè)原理( 如霍爾效應(yīng)) , 將橢圓齒輪轉(zhuǎn)角的周期信號(hào)( 即被測(cè)介質(zhì)的流量等效信號(hào)) 檢測(cè)出來(lái), 并用方波信號(hào)輸出.
1. 3 磁敏檢測(cè)
在其中一只橢圓齒輪的徑向端面上對(duì)稱的封裝兩枚磁鋼( 圖3) , 兩枚磁鋼的N 極和S 極相反布置.在上端蓋中封裝兩枚磁敏傳感器( 單輸出鎖定型霍爾開(kāi)關(guān)集成器件[ 4] ) , 并成90b布置, 橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí), 磁鋼相應(yīng)地掃過(guò)磁敏傳感器的敏感區(qū)域, 磁敏傳感器感應(yīng)永磁磁場(chǎng)的變化, 改變輸出信號(hào)電平. 由計(jì)量室工作和磁感應(yīng)檢測(cè)原理可知, 雖然恒定流量下橢圓齒輪的角速度是變化的( 圖2) , 但對(duì)裝在橢圓齒輪上的兩只磁鋼而言, 轉(zhuǎn)180b一個(gè)周期才能對(duì)其中的一只磁敏傳感器產(chǎn)生作用, 因此在恒定流量下,磁敏傳感器輸出的方波信號(hào)的周期是恒定的, 并且輸出方波的頻率與通過(guò)流量計(jì)的流體流量成正比( 即通過(guò)單位時(shí)間的方波數(shù)或方波周期可獲得流體的流量信息) ; 并通過(guò)對(duì)比兩枚磁敏傳感器分別輸出的方波信號(hào)相位的超前與滯后, 檢測(cè)并判斷流體的流動(dòng)方向.
磁敏傳感器所處的隔艙與計(jì)量室之間有耐高壓、非導(dǎo)磁的隔離片5( 圖4) . 并與上端蓋2 焊接, 形成耐高壓容腔. 導(dǎo)磁柱4 采用純鐵( 圖4) , 可增強(qiáng)磁敏傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度( 圖5 是裝有導(dǎo)磁柱狀態(tài)下磁敏傳感器附近的磁場(chǎng)分量1/ 2 的分布云圖) . 利用霍爾效應(yīng)原理, 對(duì)影響磁敏傳感器感應(yīng)效果的磁鋼半徑r、隔離片厚度L 和磁敏傳感器下的間隙L m ( 圖4) 參數(shù)進(jìn)行了有限元仿真分析, 隔離片厚度5 mm, 不加導(dǎo)磁柱時(shí), 不同磁鋼半徑r 和磁敏傳感器下的間隙L m 對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響( 圖6) . 磁鋼半徑2. 5 mm, 在隔離片中加入導(dǎo)磁柱后, 不同隔離片厚度L 和磁敏傳感器下的間隙L m 對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響( 圖7) . 可知, 磁敏傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁鋼半徑r 成正比、與隔離片厚度L 和磁敏傳感器下的間隙L m 成反比.
2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
對(duì)耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 液壓測(cè)試系統(tǒng)如圖8 所示. 樣機(jī)6 的背壓由溢流閥8 調(diào)定, 壓差由壓力表5、7 測(cè)量; 通過(guò)對(duì)磁敏傳感器輸出的電平信號(hào)進(jìn)行計(jì)量與分析, 獲得樣機(jī)6的流量大小與方向; 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)9 對(duì)通過(guò)樣機(jī)6 的流量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量. 從而可獲得樣機(jī)的流量、耐壓、壓力損失以及方向測(cè)量特性
試驗(yàn)表明( 圖9) , 工作壓力小于21 MPa 時(shí), 樣機(jī)的檢測(cè)流量誤差為± 0. 5% ; 工作壓力大于21MPa 至31. 5 MPa 時(shí), 誤差為± 0. 5~ 3%. 這是因?yàn)? 樣機(jī)處于高壓工作狀態(tài)時(shí), 泄漏量增加, 測(cè)試誤差增大; 該誤差可通過(guò)進(jìn)一步提高加工精度或進(jìn)行壓力信號(hào)補(bǔ)償?shù)确椒p小.
當(dāng)流體從不同油口流入樣機(jī)時(shí), 兩通道磁敏傳感器采集的電平信號(hào)的相位不同( 圖10 和圖11) ,通過(guò)對(duì)比兩方波信號(hào)的相位超前與滯后, 判斷流體流動(dòng)方向.
樣機(jī)在工作中存在壓力損失( 圖12) . 從圖中可以看出, 壓力損失較小, 最大為0. 15 MPa.
新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)采用耐高壓計(jì)量室結(jié)構(gòu)、容積式流量檢測(cè)和通過(guò)磁敏傳感器信號(hào)輸出的方式; 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、油溫影響小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明該流量計(jì)具有檢測(cè)精度高, 能夠雙向檢測(cè)流量, 壓力損失小, 能工作在高壓環(huán)境下等優(yōu)點(diǎn).
